히트펌트에서 수력발전까지 에너지기술의 총집합
16. 유동층 연소(Fluidized Bed Combustor)
유동층 연소기술은 현재까지 개발된 연소기술 중에서 가장 바람직한 새로운 석탄 연소이용 방식으로써 석탄을 적당하게 분쇄하여 만든 석탄 입자들과 석회석과 같은 유동 매체의 혼합가루층에 적정속도의 공기를 불어넣어 부유유동층(Suspended Fluidized Bed) 상태로 만들어 연소시키는 방법이다.
이 기술은 그 독특한 연소 원리 때문에 재래식 석탄연소 기술과 비교하면 여러 가지 석탄이 가지는 문제점을 극복할 수 있는데 예를 들면 연소 시 비교적 안정성을 잘 유지할 수 있고 낮은 온도에서도 연소시킬 수 있기 때문에 저질 연탄이나 원탄 폐석까지도 연소를 가능하게 하고 석회석의 엉겨 붙음을 막으며 그 때문에 일어나는 여러 가지 부작용을 동시에 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한 NOx라는 공해성 기체(과열 때문에 공기 중 질소가 산화되어 발생하는 경우가 많음)를 적게 배출하고 보일러의 제작 시 특수재료를 많이 사용치 않아도 되기 때문에 비교적 저렴한 가격으로 제작할 수 있다.
유동층 연소는 열전달효율이 매우 높고 그 열전달 면적이 재래식 미분탄 연소기의 1/3∼1/4이면 충분해 보일러의 제작 면에서 훨씬 간편하고 경제적 이익을 가져온다. 석회석과 같은 유동매체의 황화반응 때문에 보일러 내 탈황효과가 있는 것도 특징 중의 하나이다.
화로(爐) 내 고체의 구성성분은 주로 비활성 매체로 모래, 회분 혹은 석회석과 같은 탈황제이며 연료인 석탄의 양은 전체 체적의 1∼4% 정도에 지나지 않는다. 이와 같은 특성 때문에 기술적으로 연료의 수용 폭이 넓어질 수 있고 다양한 성질(저열량, 고유황 함유, 점착성, 고수분함유)의 연료 등에 적용이 가능하다. 또 탈황제의 노 내 주입에 의한 직접탈황으로 별도의 배연·탈황설비가 불필요하다.
유동층의 연소온도는 비활성 층물질의 용융온도보다 낮아야 한다. 따라서 조업온도는 750∼900℃ 범위이다. 이는 비교적 낮은 온도이므로 NOx 생성의 억제에도 유리하다. 석탄의 연소열은 비활성 층물질에 전달되며, 이어서 연소로 내 전열 면에 전달된다. 격렬한 고체혼합현상 때문에 전열 면에서 열전달계수는 250∼500%/m2K 정도로 매우 크다. 보통 고온의 기체가 지나는 보일러의 열전달 관에서 열전달 계수는 2∼25W/m2K 범위이다.
바닥의 기체분산판으로 공기가 주입되는 통 속에 초기에 고체를 장입한 후 유속을 증가시킬 때 입자들이 유동을 시작하는 유속을 최소 유동화 속도라고 한다. 유속을 보다 증가시키면 고체층 내에 거품이 생성되며 이 기포는 분산판에서 생성되어 상승하면서 거품 간의 합체에 의하여 그 크기가 성장한다. 거품이 상승할 때 거품 밑에는 후류(Wale)가 형성되어 거품과 같이 상승하면서 입자들을 위로 분산시키며 이에 대한 반작용으로 입자들은 하부로 역 혼합을 일으키게 된다.
이 거동은 유속이 증가할수록 더욱 활발해지며 이를 거품유동층이라고 한다. 층 표면에서 거품이 깨어지면서 프리보드(Free Board)에 분산시킨 입자들은 TDH(Transport Disengaging Height) 내에서 고체의 종말속도에 따라 종말속도가 유속보다 크면 다시 떨어져서 층으로 되돌아오고 유속이 종말속도보다 크면 이 입자들은 유동층 밖으로 비말동반(Entrainment)되어 나가게 된다. 비말동반되어 나가는 입자는 보통사이클론에서 포집되어 다시 유동층으로 주입된다.
만일 고체층의 높이가 높고 유속이 계속 증가하면 거품은 계속 성장하여 크기가 층의 직경과 거의 같게 되며 이때를 슬러깅(Slugging) 상태라고 한다. 유속이 계속 증가하면 거품이 분쇄되어 기체와 고체가 훨씬 원활하게 접촉하는 난류층(Tlgbulent Bed) 상태에 이르게 된다. 유속을 더욱 증가시키면 모든 입자가 기체에 의해서 수송되어 밖으로 유출되는 공기수송영역에 도달된다.
이때 사이클론으로 유출입자를 포집하여 반응기 내로 재순환시킴으로써 고체층을 유지하는데 이를 고속유동층(Fast Bed)이라고 한다. 한편 이러한 구조를 총칭하여 순환유동층이라고 하는데 유속이 입자의 종말속도보다 크면 모든 입자는 유동층을 떠나게 되므로 유동층의 최대속도는 보통 주어진 입자의 종말속도가 된다. 유동층 연소로는 조업압력에 따라 상압인 상압유동층과 약 10기압인 가압유동층으로 분류되고 유동특성에 따라 거품유동층과 순환유동층으로 분류된다.
가압유동층은 현재 상용화 개발단계에 있으며 가압의 연소기체를 가스터빈에 사용하여 증기터빈과 함께 복합발전을 이루어 발전효율을 향상할 수 있는 장점이 있다.
상압의 거품유동층은 약 1.8m/s의 유동화속도(공탑기체속도)에서 조업되며 약 40MWt 이하의 중소형 산업용 보일러에 사용된다. 상압의 순환유동층은 약 5m/s의 유동화속도에서 조업되며, 약 40MWt 이상의 산업용 및 발전용 보일러로 사용된다.
유동층 연소로 공정의 주요설비로는 석탄 및 탈황제 고체주입 설비, 공기분산판, 연소설비, 전열면 등으로 요약될 수 있다. 석탄 및 탈황제는 중력에 의한 슈트(Chute), 기계식 공급기(Strew Conveyor, Spreader Rotor), 혹은 공기수송에 의해서 연소로 내로 주입된다. 연소로 내 주입위치는 공기분 산판 위나 고체층 위이며 중력에 의한 슈트나 기계식 공급기를 사용할 때는 주로 후자이다. 고체의 주입 시에는 층의 단면적에 고른 분산이 가장 중요하며 이를 위해서 여러 개의 공급점을 두기도 한다. 결과적으로 단위 공급기가 담당할 수 있는 단 면적과 층 내 고체혼합도가 중요한 설계변수이다.
분산판에 의한 유동화 공기의 분배는 층 내 고체혼합 형태와 직결된다. 고르지 못한 공기분배는 층 내에 정체영역을 만들며 더 악화하면 연소로의 기능을 마비시킨다. 또 분산판은 고체의 역 흐름도 방지할 수 있어야 하며 송풍기의 동력과 관련된 압력강하도 가능한 한 작아야 한다. 상용 보일러의 분산판으로는 다중투예어(Multi-Tuyere)가 주로 사용되며 소형장치에서는 다공판이 사용된다.
유동층에 투입된 석탄은 비활성 층물질과 혼합되어 연소된다. 연소 후 굵은 회분은 층하부 혹은 분산판에 설치된 하부 회 배출구로 유출된다. 유동층 내 비활성 고체량은 주입된 석탄의 노 내 체류시간, 층 내 전열면적의 배치 등과 관련되어 결정되며 상압유동층에서 고정층 높이는 보통 1m 이하이다. 입도가 작은 석탄 혹은 미연탄소가 포함된 작은 입도의 층 내 고체는 유동화 기체에 의해서 비말동반되어 유출된다.
유출되는 고체 중에는 미연탄소가 다량 포함되어 있기 때문에 이를 재연소하지 않으면 연소효율이 크게 저하된다. 그러므로 사이클론에서 포집된 입자는 연소로 내로 재순환되거나 별도의 연소실인 CBC(Carbon Burnup Cell)에서 재연소된다. 상용보일러에서는 전자를 주로 사용한다. 열 추출을 위해서 연소로 내에 설치된 전열 면은 고체층 혹은 프리보드에 삽입된 다발로 이루어진 수평 혹은 수직 전열관과 수직전열관으로 만들어진 연소로 벽으로 구성된다. 전열관 내에는 물과 증기 혼합물이 증기드럼과 연소로 사이를 순환한다.
17. 열분해(Pyrolysis)
가연성 폐기물을 오염물질이 극히 드물게 발생하는 방법으로 처리하여 에너지를 회수 이용하는 기술의 하나로서 열분해 공정이 많이 주목받고 있다.
열분해는 유기물을 무산소 또는 저산소 속에서 고온(500∼1,000℃)으로 가열하여 수소 메탄 등의 탄화수소, 일산화탄소 등의 가연성 가스와 상온에서 액상인 식초산, 아세톤, 메탄올과 같은 유기화합물을 함유하는 타르(Tar)분 또는 유분, 순탄소와 유리, 금속, 토사를 함유하는 숯(Char)의 3가지 군으로 화학적으로 분해되는 공정이다.
열분해 기술은 그리 새로운 것은 아니지만 미국에서 EPA가 1970년부터 도시쓰레기의 가스화 및 유화(油化)기술로서 쓰레기의 열분해에 대한 연구를 강력히 추진했다. 이러한 열분해 기술은 파쇄, 선별을 전제로 하여 열분해 공정과 조합하여 소위 저류성(貯留性) 에너지 회수를 지향하여 개발했는데 최근에 와서는 도시쓰레기의 소각처리가 직면하고 있는 폐가스 및 폐수처리 등의 2차 공해처리 배제 및 매립처분량의 감소대책이라는 방향으로 이 공정을 개발하고 있다.
따라서 앞으로의 열분해 공정은 쓰레기의 소각처리에 비하여 배기가스양이 적은 점을 비롯해 황분, 중금속분이 재 중에 고정될 확률이 높은 점, 환원성 분위기를 유지할 수 있어서 Cr3+가 Cr6+로 변화하지 않는 점, NOx의 발생량이 적은 점 등 이런 장점으로 소각처리에 대체할 수 있는 폐기물처리공정으로 기술개발이 기대된다.
18. 프란시스(Francis) 수차
고정날개 회전 차를 가지며 카플란 수차와 같이 물의 흐름은 원주 방향으로 유입되어 축 방향으로 유출된다. 이 수차의 주요 구성은 물이 회전차에 유입되는 것을 돕는 스파이럴 케이싱(Spiral Casing)과 유입되는 물의 양을 조절하는 유량조절 수문 및 흡출관으로 되어 있다.
유량조절 수문이 없는 프란시스 수차는 일정한 낙차의 부하에서 운전되는 것이 좋으며 수차 입구의 개폐밸브를 사용하여 운전개시와 종료에 작동한다.
이 수차의 사용 유량의 범위는 설계 유량의 30~115%이며 30% 이하에서 운전하면 심한 진동과 출력 서어징 (Surging) 현상이 발생한다.
또한 사용 낙차의 범위는 60~125% 정도이며 최대효율은 15MW 이내의 용량 수차에서 88~90%까지 얻을 수 있다고 알려졌다.
프란시스 수차발전기의 설치형식은 수직축 또는 수평축으로 할 수 있으며, 수직축으로 설치할 때는 중형 이상의 수차에 한하며 소형의 프란시스 수차발전기는 수평축으로 설치할 수 있으므로 증속기 등을 장치하여 발전기를 소형화할 수도 있고 유지보수에 편리하므로 경제적이라 할 수 있다.
스파이럴 케이싱은 강철 또는 콘크리트로 할 수 있으며 약 10m 이하의 낙차에서는 노출형 설치를 할 수 있다.
그러나 이보다 큰 낙차에서 노출형 설치를 할 때 수차발전기의 회전축에 기계적인 무리가 가해지므로 설치하지 못한다.
19. 카프란 수차
수력발전용으로 사용되는 수차는 충동형과 반동형 수차로 대별된다. 카프란 수차는 반동형 수차로, 물의 운동에너지와 압력에너지를 동시에 사용하는 수차로써 프로펠러수차와 유사한 낙차범위에서 사용된다.
이 수차는 유량과 낙차의 변화가 많은 수력발전소에서 안정적으로 운전할 수 있는 장점을 갖고 있으며 표준화를 통하여 가격을 크게 낮출 수 있기 때문에 우리나라의 소수력발전소에 적용하기가 매우 적합한 수차라 할 수 있다.
우리나라는 소수력개발을 활성화하고 향후 개발될 소수력발전소에 적용하기 위해서는 카프란 수차에 대한 설계기술을 배양하고 이를 통한 수차의 국산화 개발을 통해 연구개발의 공익성을 확보해야 하며 소수력발전의 핵심부품인 수차를 국산화하여 소수력발전소의 경제성을 향상함으로써 우리나라 수계에 산재하여 있는 소수력자원을 효율적으로 이용해야 한다.
20. 수력발전
1879년 탄소선(炭素線) 전구를 완성한 에디슨은 전 세계에 ‘전등’이라는 당시로써는 꿈과 같은 캐치프레이즈를 내걸었다. 이 꿈이 실현된 것은 교류전기에 의해서이다. 변압기나 송전의 방법도 개량되어 갔고 큰 발전기도 만들 수 있게 되었다.
1892년에는 세계 최초로 수력발전소가 2개소나 가동되기에 이르렀다. 그 하나는 웨스팅 하우스 사가 건설한 발전소인데 미국의 오리건 주에 있는 폭포를 이용한 수력발전이었다. 또 하나도 역시 수력발전으로 일본의 비파호(琵琶湖) 물을 이용한 교토 시영발전소였다. 웨스팅 하우스의 발전소는 3,300볼트의 교류발전기, 일본은 550볼트의 직류발전기로 시작했다.
수력발전소는 높은 곳의 물이 가지고 있는 ‘위치에너지’를 이용해서 전기를 일으킨다. 즉, 물이 떨어지는 힘으로 수차(水車)를 돌리면 수차의 축에 붙어 있는 발전기가 돌아가게 되어 전기가 발생하는 것이다. 수차에도 여러 가지 종류가 있으나 대부분 발전소에서는 물의 압력을 이용하는 프란시스 수차가 널리 쓰이고 있다.
그러나 물의 낙차가 큰 곳에서는 분출시킨 물의 충동으로 회전시키는 펠톤 수차가 사용된다. 그밖에 프로펠러를 회전시키는 방식의 카플란 수차나 프로펠러 수차 등도 사용된다.
그러나 우리나라의 팔당수력발전소와 같이 흐르는 물의 양은 많으나 낙차가 적은 곳에는 발브(Bulb) 수차가 쓰인다.
21. 화력발전
수력과는 반대로 화력을 이용한 것이 화력발전이다. 중유, 석탄, 천연가스(LNG) 등을 연료로 사용한다.
수력발전은 무공해(無公害)한 클린 에너지(Clean Energy)인 데 비해 화력발전은 배기가스로 말미암은 공해가 심각한 문제이다. 그럼에도 불구하고 1950년대부터 화력발전소가 급격히 증가하여 오랫동안 주류의 위치에 있던 수력발전을 제치고 현재에는 전력을 지배하고 있다.
그 이유는 수력보다 건설비가 싸고 조기 완성할 수 있기 때문이다. 또 화력발전소는 위치의 선정에도 유리하여 산간벽지에 건설할 필요가 없는 것도 이점의 하나이다. 연료인 중유나 석탄이 배로 운반되기 때문에 바닷가에 건설되는 경우가 많다. 그 때문에 수용가까지의 송전거리가 짧은 것도 큰 이점의 하나이다.
우선 중유나 석탄 등의 연료를 보일러에 넣은 다음, 적당량의 공기와 혼합하여 보일러 내에서 연소시킨다. 보일러 내에서는 관을 통하여 들어온 물이 가열되면 고압증기로 변해 터빈에 보내진다. 터빈은 수력발전소의 수차에 상당하는 것으로 많은 회전 날개를 가지고 있다.
따라서 보일러에서는 고온, 고압의 증기를 이 회전날개에 불어넣어 터빈을 회전시키는 것이다. 터빈의 회전은 매우 빨라서 수력발전의 수차가 1분간 125회전에서 750회전을 하는 것에 비해 화력터빈은 3천 회전에서 3천6백 회전을 한다.
터빈을 회전시킨 후의 증기는 복수기 속에서 냉각수에 의해 냉각되어 재차 물로 돌아가게 된다. 그런 다음 급수 펌프에 의해 급수로써 공급되어 과열기에서 가열, 다시 보일러로 보내진다.
여기에서 발전기의 회전자에 대해서 조금 설명해 두고자 한다. 수력발전기는 회전자의 지름이 크고 폭이 좁은 데 비해, 회전이 빠른 화력발전기는 회전자의 지름이 작고 폭이 길게 되어 있다.
교류발전기의 원리는 뒤에서도 설명하겠지만 실제의 발전기에서는 기전력을 유도하는 전기자 코일을 회전시키는 것이 아니고 고정자 쪽에 설치한다. 그리고 전극(전자석) 쪽을 회전시킨다. 전기자 코일은 자력선(磁力線)을 끊어 교류의 기전력을 발생한다. 이 방식의 발전기를 회전계자형(回轉界磁形)이라고 한다.
22. 양수발전
보통 수력발전소는 발전에 사용한 물을 흘려보내지만 이 물을 버리지 않고 아래쪽에 저수지를 만들어 저장해 두었다가 다시 퍼 올려서 이용하는 발전소가 있다. 양수발전소(揚水發電所)가 그것이다. 얼핏 생각하면 아주 경제성이 없는 방법처럼 느껴진다. 과연 어떨까.
일반 가정에서는 밤이 되면 전등을 사용하므로 전력의 수요도 밤에 많을 것으로 생각하는 사람이 많으나 사실은 그렇지 않다. 대량으로 전력이 필요한 곳은 공장이기 때문이다. 따라서 공장이 일제히 가동되는 오전 10시부터 오후 5시까지가 전력의 수요가 가장 많다.
그러나 발전소의 처지에서 보면 전력의 수요와 관계없이 일정한 발전량을 유지해야 한다. 전력의 사용량이 절반으로 줄었다고 해서 발전량을 줄이거나 운전을 정지하는 것을 그리 간단하지 않다. 끊임없이 일정한 발전량을 유지해야 가장 효율이 높은 것이다. 그런데 야간이 되면 전력이 남기 때문에 발전량을 줄여야 할 때도 생긴다.
양수발전소는 하부 저수지와 상부 저수지를 만들어 주간에 전력의 수요가 많을 때는 상부 저수지의 물로 보통의 수력발전소처럼 발전한다. 그리고 사용한 물은 하부 저수지에 저장해 두었다가 야간이나 휴일과 같이 전력이 남아돌 때, 화력발전소나 원자력발전소의 전력을 이용해서 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼올린다. 이 경우 수차(水車)를 펌프로, 발전기를 모터로 역이용하는 것도 가능하기 때문이다.
그렇다면 경제적인 측면에서도 양수발전은 효과적일까. 간단한 계산을 해보자. 수차와 발전기의 합성효율을 85%라고 하면 양수와 발전의 왕복효율은 0.85×0.85=0.72로 72%가 된다. 즉 100만원의 전력으로 어떤 물을 양수해서 발전에 사용했다고 하면 72만원이 회수되는 셈이어서 나머지 28만원은 손실이 된다. 그러나 심야의 전력 요금은 주간의 반 정도밖에 되지 않으므로 100만원의 전력도 50만원이면 된다. 따라서 50만원으로 양수하면 이번에는 22만원의 흑자가 생긴다. 이렇게 양수발전소는 에너지적으로도 경제적으로도 합리적인 좋은 발전소이다.
